CN101445885A - 一种易切削硅黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易切削硅黄铜合金及其制备方法。该硅黄铜合金的化学成份为：铜59.2～63.5wt％、硅0.35～0.9wt％、铅0.04～0.25wt％、磷0.22～0.38wt％、其它元素：0.005～1.1wt％、其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+硅+铅+磷)wt％＞98.7wt％；其它元素是选自锡、镍、铁、锑、锰中的至少一种元素。其制造是采用合金化处理和覆盖保护变质清渣净化精炼方法，熔炼易切削硅黄铜合金，在1010～1050℃温度下连续铸造成硅黄铜铸锭，在660～700℃温度下进行热加工，后经4～25％加工率的冷加工，在560～660℃温度下进行中间热处理，加工最终成品在低于380℃温度下进行消除应力退火。本发明的特征在于其产品具有较高的抗拉强度、优异的热成型性能、耐脱锌性能、卫生安全性能，而且突出的还具有优异的切削性能，同时其制造工艺简便、成本低、易回收利用。

Description

一种易切削硅黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种黄铜合金，尤其涉及一种具有较高的抗拉强度、优异的热成型性能、耐脱锌性能、卫生安全性能和切削性能的易切削硅黄铜合金及其制造方法。

背景技术

长期以来，由于铅黄铜具有较好的切削性能、优异的冷热加工性能，能满足各种形状的零配件机加工，已广泛地应用在各工业部门的机加工切削制造业领域中，被世界公认为重要的基础原材料。

但是，近年来，世界各国的医学专家已发现铅对人类健康和生态环境构成了危害，因而各国政府对铜合金中的铅含量在不同领域中分别做出了严格的限令，并不断减少其中的铅含量，因此，世界各国的材料加工行业已开始相继研发低铅和无铅的易切削黄铜来替代含铅量高的铅黄铜的技术，实施EHS计划(E环保、H健康、S安全)。

目前国内外替代铅黄铜的技术方向主要分低铅和无铅的黄铜合金材料两大类型，其中合金系基本有三大合金系：Cu-Zn-Si系、Cu-Zn-Bi系和Cu-Zn-Sb系。由于欧洲铜协会于2007年9月发布了《不用铋替代铅》的建议后，在北美和欧洲已开始减少了Cu-Zn-Bi合金系材料的使用量，并且正在研究和使用Cu-Zn-Si和Cu-Zn-Sb系列的易切削黄铜合金材料。

比如：德国维兰德公司研发的专利申请号为200410004293的《无铅铜合金及应用》，该合金为Cu-Zn-Si系无铅易切削硅黄铜，由下列成分组成：铜：70～83wt％、硅：1～5wt％、锡：0.01～2wt％、铁：0.01～0.3wt％和/或钴：0.01～0.3wt％、镍：0.01～0.3wt％、锰：0.01～0.3wt％，余量为锌和不可避免的杂质；但由于该合金铜含量为70～83wt％，故成本较高，而且钻削性能不够理想。

另外一类是近期研发的低铅易切削黄铜合金。例如，美国科勒公司的专利号为：CN94192613.3的《低铅含铋黄铜》，因为该合金虽然是低铅，但含铋将会影响其今后的使用。中国宁波博威集团的专利申请号为：200710070803.4《一种低铅硼易切削锑黄铜合金及其制造方法》，虽然是一种低铅环保的易切削黄铜，但由于锑的含量为：0.4～1.2wt％，含锑量较高，在饮用水工程中使用时，其焊接接头会引起锑的浸出量超出卫生安全性能要求的可能性增大。

本发明正是基于上述的考虑，解决了上述合金存在的不足，采用低的制造成本，并获得优异的切削性能、耐脱锌性能和其它优良的综合性能。同时也解决了废料的单一和多品种的回收及循环再利用的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术背景而提供一种具有优异的切削性能、耐脱锌性能、卫生安全性能、热成型性能、较高的抗拉强度的易切削硅黄铜合金。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对上述现有技术背景而提供一种低成本的易切削硅黄铜合金的方法。

本发明是通过提供具有如下各种合金元素组成的硅黄铜合金而实现的：

本发明易切削硅黄铜合金的组成为：铜：59.2～63.5wt％、硅：0.35～0.9wt％、铅：0.04～0.25wt％、磷：0.22～0.38wt％，其它元素：0.005～1.1wt％、其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+硅+铅+磷)wt％>98.7wt％；所述的其它元素是选自锡、镍、铁、锑、锰中的至少一种元素。

优选地，所述的合金组成中铜的含量为59.5～63wt％、硅的含量为：0.4～0.85％、铅的含量为：0.05～0.20wt％、磷的含量为：0.25～0.36wt％、其它元素含量为：0.01～0.105wt％。

在合金组成中含有锡的情况下，锡的优选含量为：0.06～0.21wt％。

在合金组成中含有镍的情况下，镍的优选含量为：0.1～0.3wt％。

在合金组成中含有铁的情况下，铁的优选含量为：0.02～0.15wt％。

在合金组成中含有锑的情况下，锑的优选含量为：0.03～0.19wt％。

在合金组成中含有锰的情况下，锰的优选含量为：0.05～0.25wt％。

本发明制备硅黄铜合金的方法是：采用合金化处理和覆盖剂保护去渣变质净化的精炼方法，熔炼易切削硅黄铜合金，在1010～1050℃温度下连续铸造成硅黄铜合金，在660～700℃温度下进行热加工，后经4～25％加工率的冷加工，在560～660℃温度下进行中间热处理，加工最终成品在低于380℃温度下进行消除应力退火。

所述的易切削硅黄铜合金是利用铅和磷易形成的脆性化合物在合金中形成断屑点以及硅在黄铜合金中能提高抗拉强度、切削性能、耐脱锌性能的特点，通过优选的合金化处理和加工工艺，使本黄铜合金达到了像含铅量高的美标C36000黄铜一样的切削性能，同时也使本黄铜合金获得了较高的抗拉强度和优异的耐脱锌性能、卫生安全性能和热成型性能。

锌在本黄铜合金中，当锌含量≤33wt％时，不易脱锌，但切削性能差；当锌含量>33wt％时，能提高黄铜合金的强度、切削性能，但易造成脱锌，因而需添加一定的耐脱锌元素来提高其耐脱锌性能。

在本合金中，硅主要是起提高合金的抗拉强度、焊接性能和耐脱锌性能，同时也能与其它元素形成细小均布的脆化金属化合物和铅共同提高本合金的切削性能。当硅含量<0.35wt％时，对本合金的强度和切削性能提高效果不明显，当硅含量>0.9wt％时，虽然能提高本合金强度和耐脱锌性能，但会使含硅的脆性化合物和γ相增多，影响冷加工成型性能，故本合金中硅的含量为：0.35～0.9wt％。

铅在该合金中主要起提高切削性的作用。铅含量≤0.04wt％时，视为无铅黄铜，当铅含量>0.25wt％时，虽然提高切削性能，但会影响饮用水工程的卫生安全性，故本合金中铅的含量为：0.04～0.25wt％。

磷在本合金中主要起提高耐脱锌性能和形成低熔点共晶体辅助铅提高切削性能的作用。当磷含量<0.22wt％时，耐脱锌和辅助提高切削性能效果不明显，当磷含量>0.38wt％时，虽然能提高耐脱锌性能和切削性能，但会影响冷加工性能，故本合金磷的含量为：0.22～0.38wt％。

在合金中选择性地加入所述的其它元素中的锡、镍、铁、锑、锰中至少一种元素的作用：一是提高合金的抗拉强度；二是提高其切削性能、耐脱锌的性能和卫生安全性；三是提高其成型性能。其中，各元素的加入作用分别如下：

锡：主要是起辅助铅提高切削性能和辅助磷提高耐脱锌性能，当锡含量<0.06wt％时，其辅助效果不明显。当锡含量>0.21wt％时，会增加合金脆性，会影响本合金的冷成型性能和制造成本，故锡的优选含量为：0.06～0.21wt％。

镍是起到提高强度和阻止脱锌的作用，同时抑制晶粒长大，限制β相区，增加合金的塑性和耐蚀性以及抗应力腐蚀的能力。当镍的含量<0.1wt％时，强化效果和耐蚀能力不明显，当镍含量>0.3wt％时，会造成成本高，故镍的优选含量为：0.1～0.3wt％。

铁在本合金中主要起细化晶粒、增加强度和成型性能的作用。当铁含量<0.02wt％时，细化晶粒和增强性能的效果不明显，当铁含量>0.15wt％时，会影响其耐蚀性能、电镀性能和气密性，故铁的优选含量为：0.02～0.15wt％

锑在本合金中主要是辅助铅提高切削性能和辅助磷、硅提高耐脱锌性能。当锑含量<0.03wt％时，辅助铅提高切削性能不明显，当锑含量>0.19wt％时，虽然有辅助效果，但会影响本合金的塑性和在饮用水工程中的卫生安全性，故锑的优选含量为：0.03～0.19wt％。

锰在本合金中主要起辅助硅提高合金强度和热强性，并辅助硅、磷提高耐脱锌性能的作用，在锰含量为0.05wt％时，其辅助作用不明显，当锰含量>0.25wt％时，虽然有辅助作用，但降低合金的铸造流动性，并使合金材料在切削时产生较宽的车屑，影响切削性能，故锰的优选含量为：0.05～0.25wt％。

上述的本发明易切削硅黄铜合金是具有优异的切削性能、耐脱锌性能、卫生安全性能、热成型性能和可抛光、电镀性能的黄铜合金。它特别适用于饮用水工程和卫生洁具、管道、铸件、阀件、连接件、电子电讯、家用电气、汽车零配件、五金装饰等制造领域，它是一种有利于人类生态环境保护的金属材料，是目前国内外市场急需的一种低成本、耐脱锌、易切削黄铜合金材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、既具有优异的切削性能，又具有较高的抗拉强度和优异的耐脱锌性能、卫生安全性能、热成型性能，特别是适用于热成型和切削加工成型的零部件、锻件、铸件和作为其它制造方法加工的零部件材料。

2、工艺操作简便，成份易控制，适用于规模化的连续生产。

3、本合金因含铜量比现有其它硅黄铜合金低，其制造成本低，且有利于回收、综合循环再利用。

4、为世界又提供了一种性价比优越的黄铜合金新材料，它是一种有利于生态环境和人类健康的易切削硅黄铜合金材料。

附图说明

附图1为本发明合金的车屑形貌示意图，车削背吃刀量为0.5mm，主轴转速为870rpm/min，进给量为0.5mm/rev。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：

本发明实施例中硅黄铜合金的生产工艺流程如下：

原材料准备及配料——合金化处理精炼——连续铸锭——铸锭坯加热——热挤压——拉伸——热处理——酸洗——拉伸——消除应力退火——矫直抛光——检验成品包装入库。

具体可表述如下：采用合金化处理和覆盖保护去渣变质精炼的方法熔铸硅黄铜合金，并在1010～1050℃温度下连续铸造成硅黄铜铸锭，在660～700℃温度下进行热加工，后经4～25％冷加工，在560～660℃温度下中间热处理，加工最终成品在低于380℃温度下进行消除应力退火。

实施例中，本发明的硅黄铜合金按表1中的合金成份组成铸锭、挤压、拉伸、热处理矫直成品棒，对比试样是相当于德国专利200410004293的无铅易切削硅黄铜的美标C69300合金(Cu：75.51wt％、Si：3.34wt％、Pb：0.03wt％、P：0.08wt％、Sn：0.09wt％、Ni：0.08wt％、Fe：0.10wt％、Mn：0.04wt％、Zn：余量，不可避免的杂质总和<0.13wt％)和切削最好的美标C36000合金(切削性是100％)进行同规格的同样的脱锌腐蚀和加工成型。

本发明的硅黄铜合金的各实施例和对比合金铸锭尺寸均为ф170×400，在相同的设备条件下，在不同的挤压温度660～700℃下挤压、拉伸、消除应力退火、矫直成ф15的棒材，其具体成份含量见表1所示。

按照国际标准IS06509脱锌实验方法进行脱锌试验，对比试样为美标C69300合金和美标C36000铅黄铜合金。测得的最大脱锌深度<150μm的表示为“优”，最大脱锌深度150～300μm的表示为“良”，最大脱锌深度>300μm的表示为“差”。

通过车削评价切削性的实验是这样进行的，在相同的机械加工条件下(转速870转/分，进刀量0.5mm，刀刃圆角半径为0.2mm，刀具前、后角均相同)，采用切削力实验仪测得各发明合金的切削力和切削单一车钻屑的长宽尺寸与美标C36000铅黄铜的切削力和单一车钻屑的长宽尺寸相比较计算，得出相对于C36000的切削指数(C36000是世界公认的切削指数为100％)，其切削指数的计算方法为：

切削指数＝[(C36000的切削阻力/各发明合金的切削阻力×100％)+(C36000单一车钻削的长×宽/各发明合金单一车钻削的长×宽)×100％]/2

切削指数>75％表示为“优”，切削指数在60～74％表示为“良”，切削指数在50～59％表示为“较差”，切削指数<50％的表示为“差”。

为了观察热成型性能，从实施例合金制品上各取ф15×30mm做试样，对比试样也取同样的规格，做热压缩试验。试样在670℃加热30分钟，然后轴向加载，变形量为40％，长度由30mm减少为18mm，在10倍放大镜下观察其变形后表面裂纹情况，试样表面不产生裂纹的表示为“0”，产生微小裂纹表示为“△”，产生大裂纹的表示为“×”。

根据国际标准IS06957检测应力腐蚀的实验方法，对本发明合金进行了应力腐蚀实验，对比样也是上述美标C69300合金和C36000铅黄铜合金。实验结束，经10倍的放大镜观察实验后的试样表面情况。试样表面不产生裂纹的表示为“0”，产生微小裂纹表示为“△”，产生大裂纹的表示为“×”。

本发明硅黄铜合金的以上试验结果见表2。

表2 本发明硅黄铜合金的试验结果

Claims (8)

1、一种易切削硅黄铜合金，其特征在于所述的合金组成为：铜：59.2～63.5wt％、硅：0.35～0.9wt％、铅：0.04～0.25wt％、磷：0.22～0.38wt％、其它元素：0.005～1.1wt％、其余为锌和不可避免的杂质；并且(铜+锌+硅+铅+磷)wt％>98.7wt％；所述的其它元素是选自锡、镍、铁、锑、锰中的至少一种元素。

2、根据权利要求1所述的易切削硅黄铜合金，其特征是在于所述的合金组成中铜的含量为59.5～63wt％、硅：0.4～0.85wt％、铅：0.05～0.20wt％、磷：0.25～0.36wt％、其它元素：0.01～1.05wt％。

3、根据权利要求1或2所述的易切削硅黄铜合金，其特征在于所述锡的含量为：0.06～0.21wt％。

4、根据权利要求1或2所述的易切削硅黄铜合金，其特征在于所述镍的含量为：0.1～0.3wt％。

5、根据权利要求1或2所述的易切削硅黄铜合金，其特征在于所述铁的含量为：0.02～0.15wt％。

6、根据权利要求1或2所述的易切削硅黄铜合金，其特征在于所述锑的含量为：0.03～0.19wt％。

7、根据权利要求1或2所述的易切削硅黄铜合金，其特征在于所述锰的含量为：0.05～0.25wt％。

8、一种制备如权利要求1至8中任一权利要求所述的易切削硅黄铜合金的方法，其特征在于：采用合金化处理和覆盖剂保护变质清渣净化的方法熔炼硅黄铜合金，在1010～1050℃温度下连续铸造成硅黄铜铸锭，在660～700℃温度下进行热加工，然后进行加工率4～25％的冷加工，在560～660℃温度下进行中间热处理，加工最终成品在低于380℃温度下进行消除应力退火。